CN111896357B - 一种利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置及其制备方法，试验装置包括岩溶地质模型、模型桩和反向自平衡装置，模型桩包括上段桩和下段桩；所述反向自平衡装置包括桩顶端板、桩身千斤顶、桩顶千斤顶、锚索和位移测量装置，桩身千斤顶设于上段桩和下段桩之间，桩顶千斤顶设于上段桩顶部和桩顶端板之间，锚索一端锚固在桩顶端板上，另一端从上段桩内穿过后锚固在下段桩内，位移测量装置有两个，分别用于测量上段桩和下段桩的竖向位移。本发明通过溶洞芯模创造溶洞位置，浇注同时安装反向自平衡装置，浇注完后，利用溶剂溶剂溶洞芯模，完成模型试验装置的制备。本发明结构简单，可模拟在各种类型溶洞，测量桩基承载力。

Description

一种利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置 及其制备方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种地质力学模型技术，具体涉及一种利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置及其制备方法，是一种岩溶桩基承载力测定实验，解决了地质模型实验中模型内部溶洞不易模拟的问题。

背景技术

我国岩溶地区面积辽阔，工程建设中经常会遇到岩溶地质条件，溶洞给工程的进展造成了很大的困扰。当在岩溶区进行工程建设时，溶洞上部地基的承载能力成为了影响工程质量的关键。对溶洞上部地基承载力研究是岩溶地质地基工程的热点课题。现阶段对岩溶地质进行的室内模型试验研究中，由于岩土体内溶洞隐蔽，不易成型等原因，岩溶地基模型试验多采用简单的梁板模拟，导致其模拟地质情况与实际的差别。因此，本发明专利提出一种新颖的岩溶地质模型试验溶洞成型方法及岩溶桩基承载力反向自平衡模型试验方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决岩溶地质模型试验中溶洞不易模拟，难以保证成型质量的问题，模型力学特性与实际地质力学特性存在偏差的问题，提出了一种利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置及其制备方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置，其特征在于：包括岩溶地质模型、模型桩和反向自平衡装置，所述模型桩和反向自平衡装置通过同步施工埋设在岩溶地质模型内，所述岩溶地质模型包括模型箱、设于模型箱内的相似模拟材料、溶洞芯模以及将溶洞芯模相连的溶剂流通管，所述溶洞芯模根据待模拟对象溶洞分布通过溶剂流通管支撑安装在模型箱内，相似模拟材料浇注在模型箱内的溶洞芯模四周，所述溶洞芯模被溶剂流通管供给的溶解溶剂所溶解并带出，形成岩溶地质模型，所述模型桩包括上段桩和下段桩，所述上段桩和下段桩均为预制的空心管桩；

所述反向自平衡装置包括桩顶端板、桩身千斤顶、桩顶千斤顶、锚索和位移测量装置，所述桩身千斤顶设于上段桩和下段桩之间，且桩身千斤顶与上段桩底部之间设有下荷载传感器，所述桩顶千斤顶设于上段桩顶部和桩顶端板之间，所述桩顶千斤顶的顶部与桩顶端板之间设有上荷载传感器，所述锚索一端锚固在桩顶端板上，另一端从上段桩内穿过后锚固在下段桩内，所述位移测量装置有两个，分别用于测量上段桩和下段桩的竖向位移。

作为改进，所述桩顶千斤顶与上段桩顶部之间设有封端板，所述桩身千斤顶与上段桩底部、下段桩顶部之间均设有封端板，三个封端板和桩顶端板尺寸和形状一样，并且设有供锚索穿过的锚索孔。

作为改进，所述锚索下端通过轴栓固定在下段桩的桩身上。

作为改进，所述位移测量装置包括位移测量仪和位移杆，所述位移杆顶部与位移测量仪相连，所述位移测量仪固定在结构件或者支撑件上，位移杆下端与模型桩相连，其中一个位移测量装置的位移杆自由穿过桩顶端板、上段桩顶部的封端板之后固定在上段桩底部的封端板上，另一个位移测量装置的位移杆自由穿过桩顶端板、上段桩顶部的封端板及上段桩底部的封端板上，之后固定在下段桩顶部的封端板上。

作为改进，所述桩顶千斤顶、桩身千斤顶、上荷载传感器和下荷载传感器的表面均涂覆防腐蚀涂料进行保护。

一种模型试验装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、待模拟地质模型信息提取，包括待模拟的地质材料信息和溶洞信息；

步骤2、材料准备，根据提取的地质模型信息准备相似模拟材料、模型箱、溶洞芯模和溶剂流通管，所述溶洞芯模为可溶性固体材料；

步骤3、所述模型箱为顶部开口模型箱，先将溶洞芯模按照地质模型信息选取相应尺寸大小并摆放在相应位置，将相邻溶洞芯模之间用溶剂流通管串联，形成流通管路，并在流通管路首尾端预留延伸出模型箱的进出口，之后往模型箱内注入相似模拟材料进行浇注；

步骤4、当模型箱内下段桩的桩底标高以下相似模拟材料初凝后，放置下段桩，在下段桩四周继续浇注相似模拟材料；

步骤5、当相似模拟材料浇注到下段桩桩顶标高处时，在下段桩顶部依次安装封端板、桩身千斤顶、下载荷传感器、封端板以及上段桩，并按照固定锚索和位移杆下端，利用溶洞芯模将上段桩和下段桩之间包裹保护，在该处形成溶洞，之后继续在模型桩四周浇注相似模拟材料直至模型桩设计标高；

步骤6、在上段桩顶部依次安装封端板、桩顶千斤顶、上载荷传感器和桩顶端板，并固定安装锚索、位移杆及位移测量仪；

步骤7、固化后通过溶剂循环装置将可溶解溶洞芯模的溶剂注入流通管路，流经溶洞芯模，将溶洞芯模溶解带出，形成模拟溶洞空间；

步骤8、待管路贯通循环后，拆掉水路循环装置，即完成模型试验装置的制备。

进一步地，所述溶洞芯模采用淀粉基填充泡沫材料或者塑料泡沫材料制成，对应的溶剂为水或者有机溶剂。

进一步地，所述溶剂循环装置包括承接液池、正循环泵和反循环泵，所述正循环泵和反循环泵分别通过管道与流通管路两端的进出口相连。

进一步地，步骤7中，将溶剂注入流通管路时，先通过正循环泵从流通管路一端注入，然后通过反循环泵从流通管路另一端注入，通过正循环泵和反循环泵均交替在流通管路两端注入溶剂，使得溶剂在流通管路内正反两个方向流动，加速溶解。

进一步地，所述溶剂流通管插入溶洞芯模内部，溶剂流通管插入溶洞芯模内部段表面开设有大量渗透小孔。

进一步地，分层浇注时，对层间的接触面进行高频低幅振捣。

进一步地，连接溶洞芯模进出的溶剂流通管均为竖直方向设置。

进一步地，所述溶剂流通管全部连接在溶洞芯模的顶部高点或者底部低点，便于溶剂充分渗入溶洞芯模，芯模溶解后可充分排除溶剂。

本发明模型浇注过程中遇到溶洞位置采用芯模进行预填充，采用溶剂循环系统的溶剂流通管对溶洞芯模进行定位及固定，在模型养护期或养护结束后，通过溶剂循环系统输送溶剂使芯模溶解形成溶洞，解决岩溶地质模型试验中溶洞不易模拟的问题。

较优的，溶洞芯模采用具有一定刚度的可溶解填充材料，可在溶解剂的作用下溶解。一般可水解的淀粉基填充泡沫制作，可在模型保温保湿养护期间溶解。也可选择塑料泡沫材料，在酒精的溶解作用下溶解。

所述溶剂循环装置由溶剂流通管与泵机组成，溶剂流通管材料与溶剂不会发生反应，位于溶洞芯模位置的流通管表面开小孔，用于溶剂流入芯模内部。

较优的，溶剂循环装置同时采用互不干扰的正循环，反循环两种回路方式，防止堵孔现象的发生。

较优的，溶剂流通管为具有一定刚度的小直径空心管（比如不与溶剂发生反应的硬质塑料管），可同时作为溶洞芯模的固定支架，便于设计定位。溶剂流通管沿竖直方向贯穿溶洞最高部位，便于溶剂充分渗入溶洞芯模，芯模溶解后可充分排除溶剂。

本发明基本原理为：地质模型浇注过程中遇到溶洞位置采用芯模进行填充，在模型养护期或养护结束后，通过溶剂使芯模溶解形成溶洞最终成为带溶洞的地质模型。本发明解决岩溶地质模型试验中溶洞不易模拟的问题，满足岩溶桩基承载力反向自平衡模型试验需求。

本发明有益效果是：

相比较于传统的岩溶地质模拟实验形成溶洞方法，本发明岩溶地质模型试验溶洞形成方法，溶洞与周围区域为一个整体，可以更好的模拟现实约束及受力特性；芯模具有很强的施工适应性，可模拟各种类型的溶洞；桩基承载力反向自平衡是一种新的技术，可以有效测出桩基承载力。

附图说明

图1本发明利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置的总体布置图。

图2为模型桩和反向自平衡装置安装关系示意图，其中A为桩身千斤顶处的局部放大示意图，B为桩顶千斤顶处的局部放大示意图。

图3为溶剂循环装置示意图，其中，图3（a）为岩溶地质模型内溶解剂正循环示意图，图3（b）为岩溶地质模型内溶解剂反循环示意图。

图4为第一封端板，桩身千斤顶和下荷载传感器安装关系示意图，其中图4（a）为俯视图，图4（b）为侧视图。

图5为下段桩下部相似模拟材料浇注示意图。

图6为固定下段桩并浇注桩周相似材料。

图7为安装第一封端板，桩身千斤顶，下荷载传感器及上段桩相关部件示意图。

图8为浇注剩余部分相似材料。

图9为安装反向自平衡剩余结构。

图10为溶洞芯模溶解示意图。

1-模型箱，1.1-底层模拟材料，1.2-中层模拟材料，1.3-顶层模拟材料，1.4-溶洞芯模，1.5-承接液池，1.6-正循环泵，1.7-反循环泵，1.8-溶剂流通管，2-下段桩，2.1-轴栓孔，2.2-第一封端板，2.3-第一位移杆，3-上段桩，3.1-第二封端板，3.2-第三封端板，3.3-第二位移杆，3.4-桩顶端板，4-锚索，5-锚索套，6-轴栓，7-桩身千斤顶，8-桩顶千斤顶，9-下荷载传感器，10-上荷载传感器，11-位移测量仪，12-微型摄像头，13-锚索孔，14-位移杆孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明的方式和实施步骤进一步的说明。

如图1至图4所示，一种利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置，包括岩溶地质模型、模型桩和反向自平衡装置，所述模型桩和反向自平衡装置通过同步施工埋设在岩溶地质模型内，所述岩溶地质模型包括模型箱1、设于模型箱1内的相似模拟材料、溶洞芯模1.4以及将溶洞芯模1.4相连的溶剂流通管1.8，所述溶洞芯模1.4根据待模拟对象溶洞分布通过溶剂流通管1.8支撑安装在模型箱1内，相似模拟材料浇注在模型箱1内的溶洞芯模1.4四周，所述溶洞芯模1.4被溶剂流通管1.8供给的溶解溶剂所溶解并带出，形成岩溶地质模型，所述模型桩包括上段桩3和下段桩2，所述上段桩3和下段桩2均为预制的空心管桩；

所述反向自平衡装置包括桩顶端板3.4、桩身千斤顶7、桩顶千斤顶8、锚索4和位移测量装置，所述桩身千斤顶7设于上段桩3和下段桩2之间，且桩身千斤顶7与上段桩3底部之间设有下荷载传感器9，所述桩顶千斤顶8设于上段桩3顶部和桩顶端板3.4之间，所述桩顶千斤顶8的顶部与桩顶端板3.4之间设有上荷载传感器10，所述锚索4一端锚固在桩顶端板3.4上，另一端从上段桩3内穿过后锚固在下段桩2内，所述位移测量装置有两个，分别用于测量上段桩3和下段桩2的竖向位移。

本发明桩身千斤顶7和桩顶千斤顶8结构、尺寸和安装关系完全相同，如图4所示，为桩身千斤顶7安装示意图。

所述桩顶千斤顶8与上段桩3顶部之间设有第三封端板3.2，所述桩身千斤顶7顶部与上段桩3底部之间设有第二封端板3.1，桩身千斤顶7底部与下段桩2顶部之间均设有第一封端板2.2，三个封端板和桩顶端板3.4尺寸和形状一样，并且设有供锚索4穿过的锚索孔13和供位移杆穿过的位移杆孔14，本发明锚索4有两根，位移杆也有两个，具体数量根据需要设置。

所述锚索4上端通过锚索套5固定在桩顶端板3.4上，锚索4下端通过轴栓6固定在下段桩2的桩身上，具体的下段桩2桩身上开设横向的轴栓孔2.1，轴栓6横向穿过下段桩2桩身的轴栓孔2.1内，锚索4下端固定在轴栓6上，达到固定锚索4的功能。

所述位移测量装置包括位移测量仪11和位移杆，所述位移杆顶部与位移测量仪11相连，所述位移测量仪11固定在结构件或者支撑件上，位移杆下端与模型桩相连，其中第二位移杆3.3自由穿过桩顶端板3.4、上段桩3顶部的封端板之后固定在上段桩3底部的第二封端板3.1上，第一位移杆2.3自由穿过桩顶端板3.4、上段桩3顶部的封端板及上段桩3底部的封端板上，之后固定在下段桩2顶部的第一封端板2.2上。

所述桩顶千斤顶8、桩身千斤顶7、上荷载传感器10和下荷载传感器9的表面均涂覆防腐蚀涂料进行保护。

作为一种改进的实施例，可以在第二封端板3.1底部安装微型摄像头12，表面涂敷一层防腐蚀的涂料进行保护，摄像头与计算机无线连接，监控实验过程中溶洞形成过程等相关现象。

需要说明的是，本发明肯定还包括数据采集装置和数据分析装置，比如数据采集卡和计算机等，下荷载传感器9和上荷载传感器10均通过数据线穿过模型桩内部连接到数据采集卡，采集的数据通过计算机分析，其具体采用什么形式对本发明解决技术问题并没有任何影响，属于公知常识，因此，本发明不再赘述。

需要说明的是，本发明下荷载传感器9和上荷载传感器10均为微型压力传感器，表面涂敷防腐蚀涂料进行保护，通过导线与外部数显仪或者数据采集卡相连。固定于千斤顶正中位置。上荷载传感器10测量桩顶千斤顶8加载时的荷载，下荷载传感器9测量桩身千斤顶7加载时的荷载。

需要说明的是，本发明桩身千斤顶7和桩顶千斤顶8结构和尺寸一样，均为带有回油自动归位功能的小型千斤顶，表面涂敷一层防腐蚀的涂料进行保护。其通过油管与模型箱1外油泵连接。千斤顶中轴线与模型桩中轴线重合，尺寸不影响锚索4及位移杆。通过锚索4提供反力辅助作用，桩顶千斤顶8可使上段桩3和下段桩2发生相向运动，桩身千斤顶7可使上段桩3和下段桩2发生相背运动。

所述位移测量仪11为百分表或千分表，位移测量仪11安装在位移杆顶端，并与位移杆紧密接触，用于测量位移杆下端的移动距离，位移测量仪11本身安装在支撑件或者结构件上，保持固定不动。较优的，所述百分表或千分表为数显模式，便于试验读数。

本发明还提供了一种利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤1、待模拟地质模型信息提取，包括待模拟的地质材料信息和溶洞信息；

步骤2、材料准备，根据提取的地质模型信息准备相似模拟材料、模型箱1、溶洞芯模1.4和溶剂流通管1.8，所述溶洞芯模1.4为可溶性固体材料；

步骤3、所述模型箱1为顶部开口模型箱1，先将溶洞芯模1.4按照地质模型信息选取相应尺寸大小并摆放在相应位置，将相邻溶洞芯模1.4之间用溶剂流通管1.8串联，形成流通管路，并在流通管路首尾端预留延伸出模型箱1的进出口，之后往模型箱1内注入相似模拟材料进行浇注；

步骤4、当模型箱1内下段桩2的桩底标高以下相似模拟材料初凝后，放置下段桩2，在下段桩2四周继续浇注相似模拟材料；

步骤5、当相似模拟材料浇注到下段桩2桩顶标高处时，在下段桩2顶部依次安装封端板、桩身千斤顶7、下载荷传感器、封端板以及上段桩3，并按照固定锚索4和位移杆下端，利用溶洞芯模1.4将上段桩3和下段桩2之间包裹保护，在该处形成溶洞，之后继续在模型桩四周浇注相似模拟材料直至模型桩设计标高；

步骤6、在上段桩3顶部依次安装封端板、桩顶千斤顶8、上载荷传感器和桩顶端板3.4，并固定安装锚索4、位移杆及位移测量仪11；

步骤7、固化后通过溶剂循环装置将可溶解溶洞芯模1.4的溶剂注入流通管路，流经溶洞芯模1.4，将溶洞芯模1.4溶解带出，形成模拟溶洞空间；

步骤8、待管路贯通循环后，拆掉水路循环装置，即完成模型试验装置的制备。

所述溶洞信息包括溶洞大小、分布，位置和形状信息，根据这些信息制备相应的溶洞芯模1.4；所述相似模拟材料，根据原型地质力学情况及相似理论进行试验确定。选取适宜的相似常数，如几何相似比、应力、应变、位移，弹性模量、泊松比等，采用水泥，石灰，石膏等材料，依照不同的配合比制作试块并进行力学试验，最后根据试验结果选取合适配比作为相似模拟材料。

所述模型箱1由有机玻璃制作而成。模型箱1上无封板，四周由透明有机玻璃板拼装而成，模型箱1内底部和侧壁预留轨道槽，通过轨道槽固定有机玻璃板可将模型箱1分割成大小不同的小模型箱1，模型箱1预留溶剂循环装置入孔及出孔。

作为一种具体实施例，所述溶洞芯模1.4采用淀粉基填充泡沫材料或者塑料泡沫材料制成，对应的溶剂为水或者有机溶剂。

作为一种具体实施例，所述步骤4和步骤5中，较优的，溶洞芯模1.4与溶剂流通管1.8可采用多种方法放置，灵活性较强。第一种方法：整体安装，将溶剂流通管1.8在外部拼装完成并将溶洞芯模1.4固定于流通管相应位置后整体安放到模型箱1内部相应位置；第二种方法：分层安装溶剂流通管1.8，每一层材料所含溶洞芯模1.4与流通管安装后，待该层材料浇筑完成，拼装完成后层材料内所含流通管与溶洞芯模1.4。对于溶洞芯模1.4的支撑方式有多种，比如，本发提供一种，溶洞芯模1.4由两半组成，两半将溶剂流通管1.8夹持在中间并通过胶黏剂相连或者胶带绑扎，溶解后，胶黏剂一起溶解，或者即使胶黏剂不溶解，也不影响溶洞的形成，当然也可以直接在溶洞芯模1.4上设置贯穿孔，溶剂流通管1.8穿过贯穿孔即可，一般溶洞芯模1.4比较轻，依靠摩擦力足够支撑其自身重量。

本发明分层浇注时，对层间的接触面进行高频低幅振捣。

作为一种具体实施例，所述溶剂循环装置包括溶剂池、正循环泵1.6和反循环泵1.7，所述正循环泵1.6和反循环泵1.7分别通过管道与流通管路两端的进出口相连；步骤7中将溶剂注入流通管路时，先通过正循环泵1.6从流通管路一端注入，然后通过反循环泵1.7从流通管路另一端注入，通过正循环泵1.6和反循环泵1.7均交替在流通管路两端注入溶剂，使得溶剂在流通管路内正反两个方向流动，加速溶解。

作为一种具体实施例，连接溶洞芯模1.4进出的溶剂流通管1.8均为竖直方向设置；所述溶剂流通管1.8全部连接在溶洞芯模1.4的顶部高点或者底部低点。所述溶剂流通管1.8插入溶洞芯模1.4内部，溶剂流通管1.8插入溶洞芯模1.4内部段表面开设有大量渗透小孔。

下面以水作为溶剂，采用分层安装溶剂流通管1.8和溶洞芯模1.4为例对本发明进行说明。

如图5所示：待岩溶地质模型试验各岩层模拟材料配比确定后，配置拌合并浇注下段桩2桩底标高以下模拟材料，如岩层含有溶洞，在相应位置放置溶洞芯模1.4，并安装溶剂循环装置，溶剂流通管1.8可为溶洞芯模1.4进一步定位校准。

较优的，溶洞芯模1.4与溶剂流通管1.8可采用多种方法放置，灵活性较强。第一种方法：整体安装，将溶剂流通管1.8在外部拼装完成并将溶洞芯模1.4固定于流通管相应位置后整体安放到模型箱1内部相应位置；第二种方法：分层安装溶剂流通管1.8，每一层材料所含溶洞芯模1.4与流通管安装后，待该层材料浇筑完成，拼装完成后层材料内所含流通管与溶洞芯模1.4。示例采用第二种方法进行安装。

较优的，溶洞芯模1.4为可水解的淀粉基填充泡沫制作，可被水完全溶解，减少溶剂对模型材料的影响。

较优的，溶剂循环流动系统同时采用互不干扰的正循环，反循环两种回路方式。可防止单一回路堵孔现象，并优化溶剂输入方式。

如图6所示：待下段桩2桩底标高以下模拟材料初凝后，放置下段桩2。在下段桩2四周继续浇注相似模拟材料，填充过程中对接触面材料进行高频低幅振捣，保证上下材料整体性良好。

如图7所示：待相似模拟材料浇注至距下段桩2桩顶一段距离时，在下段桩2桩顶安装第一封端板2.2、桩身千斤顶7、下荷载传感器9和上段桩3，以及锚索4和位移杆下端的固定，并利用溶洞芯模1.4对上段桩3和下段桩2之间区域进行保护固定固定，在该处形成溶洞，也可以说，本发明的桩身千斤顶7选择设置在溶洞区域，当然可以不设置在溶洞区域，如果不设置在溶洞区域，就需要设置保护膜或者油布将上段桩3和下段桩2之间区域包裹保护起来，防止相似模拟材料影响到桩身千斤顶7、下荷载传感器9及位移杆的使用和测量。

较优的，反向自平衡装置的桩身千斤顶7宜设置于桩身从下至上1/3处，为便于施工，将反向自平衡装置设置于靠近下段桩2身1/3位置的溶洞内，便于施工且溶洞芯模1.4对反向自平衡装置形成保护；

如图8所示：在模型桩四周浇注剩余模拟材料至桩顶标高处。

如图9所示：安装反向自平衡剩余结构，包括封端板、桩顶千斤顶8、上载荷传感器和桩顶端板3.4，并固定安装锚索4、位移杆及位移测量仪11，使用锚索套5对锚索4进行固定，安装位移测量仪11等。将溶解流通管进出口分别连接至水泵与承接液池1.5内。

如图9所示：对模型进行保温保湿养护，待模型养护具有一定强度后，启动溶剂循环装置，将溶剂输入至芯模位置，对芯模完成溶解过程，溶解过程可通过内部微型摄像头12进行观察。

如图10所示：待模型内部溶洞芯模1.4溶解完成后，将模型内部溶剂通过水泵抽出。拆除溶剂循环流动系统外部构建，完成模型试验装置制备，即可利用本发明制备的模型试验装置进行相关试验。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置的制备方法，模型试验装置包括岩溶地质模型、模型桩和反向自平衡装置，所述模型桩和反向自平衡装置通过同步施工埋设在岩溶地质模型内，所述岩溶地质模型包括模型箱、设于模型箱内的相似模拟材料、溶洞芯模以及将溶洞芯模相连的溶剂流通管，所述溶洞芯模根据待模拟对象溶洞分布通过溶剂流通管支撑安装在模型箱内，相似模拟材料浇注在模型箱内的溶洞芯模四周，所述溶洞芯模被溶剂流通管供给的溶解溶剂所溶解并带出，形成岩溶地质模型，所述模型桩包括上段桩和下段桩，所述上段桩和下段桩均为预制的空心管桩；

所述模型箱由有机玻璃制作而成；模型箱上无封板，四周由透明有机玻璃板拼装而成；

所述反向自平衡装置包括桩顶端板、桩身千斤顶、桩顶千斤顶、锚索和位移测量装置，所述桩身千斤顶设于上段桩和下段桩之间，且桩身千斤顶与上段桩底部之间设有下荷载传感器，所述桩顶千斤顶设于上段桩顶部和桩顶端板之间，所述桩顶千斤顶的顶部与桩顶端板之间设有上荷载传感器，所述锚索一端锚固在桩顶端板上，另一端从上段桩内穿过后锚固在下段桩内，所述位移测量装置有两个，分别用于测量上段桩和下段桩的竖向位移；

所述桩顶千斤顶与上段桩顶部之间设有封端板，所述桩身千斤顶与上段桩底部、下段桩顶部之间均设有封端板，三个封端板和桩顶端板尺寸和形状一样，并且设有供锚索穿过的锚索孔；

所述位移测量装置包括位移测量仪和位移杆，所述位移杆顶部与位移测量仪相连，所述位移测量仪固定在结构件或者支撑件上，位移杆下端与模型桩相连，其中一个位移测量装置的位移杆自由穿过桩顶端板、上段桩顶部的封端板之后固定在上段桩底部的封端板上，另一个位移测量装置的位移杆自由穿过桩顶端板、上段桩顶部的封端板及上段桩底部的封端板上，之后固定在下段桩顶部的封端板上；

其特征在于，制备方法包括以下步骤：

步骤1、待模拟地质模型信息提取，包括待模拟的地质材料信息和溶洞信息；

步骤2、材料准备，根据提取的地质模型信息准备相似模拟材料、模型箱、溶洞芯模和溶剂流通管，所述溶洞芯模为可溶性固体材料；

步骤3、所述模型箱为顶部开口模型箱，先将溶洞芯模按照地质模型信息选取相应尺寸大小并摆放在相应位置，将相邻溶洞芯模之间用溶剂流通管串联，形成流通管路，并在流通管路首尾端预留延伸出模型箱的进出口，之后往模型箱内注入相似模拟材料进行浇注；

步骤4、当模型箱内下段桩的桩底标高以下相似模拟材料初凝后，放置下段桩，在下段桩四周继续浇注相似模拟材料；

步骤5、当相似模拟材料浇注到下段桩桩顶标高处时，在下段桩顶部依次安装封端板、桩身千斤顶、下载荷传感器、封端板以及上段桩，并按照固定锚索和位移杆下端，利用溶洞芯模将上段桩和下段桩之间包裹保护，在该处形成溶洞，之后继续在模型桩四周浇注相似模拟材料直至模型桩设计标高；

步骤6、在上段桩顶部依次安装封端板、桩顶千斤顶、上载荷传感器和桩顶端板，并固定安装锚索、位移杆及位移测量仪；

步骤7、固化后通过溶剂循环装置将可溶解溶洞芯模的溶剂注入流通管路，流经溶洞芯模，将溶洞芯模溶解带出，形成模拟溶洞空间；

步骤8、待管路贯通循环后，拆掉水路循环装置，即完成模型试验装置的制备。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述锚索下端通过轴栓固定在下段桩的桩身上。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述桩顶千斤顶、桩身千斤顶、上荷载传感器和下荷载传感器的表面均涂覆防腐蚀涂料进行保护。

4.如权利要求1所述模型试验装置的制备方法，其特征在于：所述溶洞芯模采用淀粉基填充泡沫材料或者塑料泡沫材料制成，对应的溶剂为水或者有机溶剂。

5.如权利要求1所述模型试验装置的制备方法，其特征在于：所述溶剂循环装置包括承接液池、正循环泵和反循环泵，所述正循环泵和反循环泵分别通过管道与流通管路两端的进出口相连。

6.如权利要求1所述模型试验装置的制备方法，其特征在于：步骤7中，将溶剂注入流通管路时，先通过正循环泵从流通管路一端注入，然后通过反循环泵从流通管路另一端注入，通过正循环泵和反循环泵均交替在流通管路两端注入溶剂，使得溶剂在流通管路内正反两个方向流动，加速溶解。

7.如权利要求1所述模型试验装置的制备方法，其特征在于：所述溶剂流通管插入溶洞芯模内部，溶剂流通管插入溶洞芯模内部段表面开设有大量渗透小孔。

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